Food Chemistry│利用高光谱成像预测双冻融循环牛肉的冻结温度和水分分布

政务 2024-09-11 12:00 江苏

华南理工大学食品科学与工程学院Qingyi Wei等在Food Chemistry 期刊上发表了《Prediction of freezing point and moisture distribution of beef with dual freeze-thaw cycles using hyperspectral imaging》文章（通讯作者：Da-Wen Sun和Zhe Wang）。

背景

过冷是一种将食物温度降低到冻结温度（FP）以下的保存技术，通常将食物降低到1-2°C，从而形成约5%至30%的冰，这可以极大地保留食物的原始特性。超冷产品的含冰量与温度有很大关系。一旦温度比FP低，就会导致过冷值大于30%，从而影响肉制品的质量。因此，预测食品的FP值对超低温技术的改进和推广具有重要意义。

摘要

冻结温度（FP）是冰温肉的重要质量指标。本论文探究了高光谱成像（HSI）预测牛肉FP受多个冻融循环影响方面的潜力。相关性分析表明，FP与结合水的比例呈负相关与不易流动水比例呈正相关。此外，通过主成分分析（PCA）选择最佳波长，成功建立了基于预测FP的最优波长的主成分回归（PCR）和偏最小二乘回归（PLSR）模型，预测系数（R²_p）分别为0.76、0.76，预测均方根误差（RMSEP）分别为0.12、0.12。此外，还建立了基于全波长的PLSR来预测P₂₁结果R²_p为0.80，RMSEP为0.67，基于最优波长的PLSR预测P₂₂结果R²_p为0.87，RMSEP为0.66。结果表明，高光谱技术作为一种无损方法，在预测肉类FP和水分分布方面具有潜力。

研究成果

不同冻融循环条件下牛肉的T2弛豫时间分布曲线（T21，结合水；T22，不易流动水；T23，自由水）；对照品是未经冻融处理的样品。（一次冻融循环：样品在-18 ℃下冷冻12小时，在25 ℃下解冻5小时）

牛肉的结合水、不易流动水和自由水的比例和弛豫时间不同。肌肉组织的水分分布特征由 P₂₁ 、 P₂₂ 表示。P₂₁、P₂₂、P₂₃分别为结合水、不易流动水和自由水所对应峰的积分面积占总积分峰面积的百分比。作为主要的结晶贡献者，P₂₂ 与FP呈显著正相关。通过亲水基团与肌肉蛋白质相连的结合水比例与FP呈负相关。

两次冻融循环的 P21 可视化图谱：(A1-A3)里脊肉；(B1-B3)臀肉和(C1-C3)厚腹肉；

两次冻融循环的 P22 的可视化图谱：(D1-D3)里脊肉；(E1-E3)臀肉和(F1-F3)厚腹肉。

本研究通过SG-1st Der-SPA-PLSR和SG-SNV-SPA-PLSR模型将高光谱图像的每个像素传输到其对应的P₂₁和 P₂₂值。随着冻融周期的增加，P₂₁ 的映射慢慢变为黄色，这意味着 P₂₁ 增加缓慢。同时，P₂₂ 的映射略微转为深绿色，表明 P₂₂ 缓慢下降。

结论

通过化学计量学分析，发现牛肉样品的 HSI 图像特征与FP之间存在良好的线性关系。PCA-PCR 和 PCA-PLSR 模型对FP的预测结果相似，R²_p为 0.76，RMSEP为 0.12。研究发现，FP值与 P₂₁ 呈显著负相关，而与 P22 呈显著正相关。为了进一步探讨结合水和不易流动水对FP变化的影响，实验采用PLSR 模型对 P₂₁ 和 P₂₂ 进行预测。所获得的 SG-1st DerPLSR 和 SG-SNV-PCA-PLSR 模型的预测精度较高，R²_P 分别为 0.80 和 0.87，RMSEP 分别为 0.67 和 0.66。本实验基于HSI的PLSR模型成功预测了牛肉的冻结温度，结果表明高光谱技术作为一种无损方法，在预测肉类的冻结温度和水分分布方面具有潜力。

原文链接

Qingyi Wei, Chaoying Pan, Hongbin Pu, Da-Wen Sun, Xiaolei Shen, Zhe Wang. Prediction of freezing point and moisture distribution of beef with dual freeze-thaw cycles using hyperspectral imaging, Food Chemistry, Volume 456, October 2024, 139868, ISSN 0308-8146.

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.139868

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